(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融ガラスを収容する炉体と、
前記炉体内の溶融ガラスを撹拌する撹拌翼と、
一端が前記撹拌翼に接続された回転軸と、
前記回転軸の他端に接続され、前記撹拌翼を回転駆動する駆動装置と、
一端が前記炉体に接続され、前記炉体内の前記溶融ガラスを流出させる流出ノズルと、
を具備し、
前記流出ノズルの一端が接続される位置における前記炉体に対する接線と、前記流出ノズルの中心線との角度θが９０°未満であり、
前記駆動装置は、前記炉体内の溶融ガラスの液面高さに応じて前記撹拌翼の回転方向及び回転速度を変化させることを特徴とするガラスの溶融炉。
【請求項２】
前記流出ノズルは、前記流出ノズルの中心線と前記回転軸と間の角度が、前記回転軸に対して垂直方向から−３０°〜＋３０°の範囲内となるように前記炉体に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のガラスの溶融炉。
【請求項３】
前記流出ノズルの前記一端は、前記炉体内にまで延伸した状態で前記炉体に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガラスの溶融炉。
【請求項４】
溶融ガラスを収容する炉体と、前記炉体内の溶融ガラスを撹拌する撹拌翼と、一端が前記撹拌翼に接続された回転軸と、前記回転軸の他端に接続され、前記撹拌翼を回転駆動する駆動装置と、一端が前記炉体に接続され、前記炉体内の前記溶融ガラスを流出させる流出ノズルと、を具備し、前記流出ノズルの一端が接続される位置における前記炉体に対する接線と、前記流出ノズルの中心線との角度θが９０°未満であるガラスの溶融炉からの溶融ガラスの流出方法であって、
前記炉体内の溶融ガラスを前記流出ノズルから流出させる工程と、
前記炉体内の溶融ガラスの液面高さに応じて、前記駆動装置による前記撹拌翼の回転方向及び回転速度を変化させる工程と、
を有することを特徴とする溶融ガラスの流出方法。
【請求項５】
前記流出ノズルは、前記流出ノズルの中心線と前記回転軸と間の角度が、前記回転軸に対して垂直方向から−３０°〜＋３０°の範囲内となるように前記炉体に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の溶融ガラスの流出方法。
【請求項６】
前記流出ノズルの前記一端は、前記炉体内にまで延伸した状態で前記炉体に接続されていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の溶融ガラスの流出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスの溶融炉及び溶融ガラスの流出方法に関し、特に、半導体分野や光学ガラスに使用される高品質なガラスを製造するガラスの溶融炉及び溶融ガラスの流出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイやカメラ等に使用されるガラス（以下、光学ガラスと称する）は、一般に、ガラスの溶融装置内に設置された溶融ガラス流出部から流出する溶融ガラスを一定間隔で切断して一定重量の溶融ガラス塊（ゴブ）を形成し、このゴブを成型機で成型するプレス成型や、溶融状態で供給されるガラスを対をなしたロール間を通過させて成形するロールアウト成型等により製造される。
【０００３】
ここで、光学ガラス、例えば、カメラに用いられるマイクロレンズ等は、高い均質性と共に高い形状精度が求められる。ガラス製造において高い形状精度を得るためには、成形機に導入する溶融ガラスの流量と温度の安定が不可欠であり、成型後のガラス製品の品質に著しい影響を及ぼす。
【０００４】
しかしながら、ポット溶融等によるガラス成型では、溶融ガラスを白金るつぼの底に設けたノズルから流出させるが、この際、白金るつぼ内の溶融ガラスの液面高さが低下する。このため、溶融ガラスの液面の低下に伴い、溶融ガラスの（単位時間当たりの）流出量が低下する。そして、溶融ガラスの流出量の変化は、成型後のガラス製品の品質に著しい影響を及ぼす虞が非常に高い。
【０００５】
そこで、従来のガラス製造装置には、溶融ガラスの流出量を一定とするために、溶融ガラスの液面高さが低下するのに応じて、溶融ガラスの温度を上げて溶融ガラスの粘度を低下させるものがある（特許文献１参照）。また、溶融ガラスの流出口の温度を測定し、この測定結果に基づいて、ヒータ又はクーラにより溶融ガラスの温度を制御して流出する溶融ガラスの直径を制御するものがある（特許文献２参照）。さらに、溶融ガラスを供給する炉体（るつぼ）を筐体で覆い、溶融ガラスの液面高さに応じて、溶融ガラスの液面に与える圧力を制御するものがある（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０３−１１５１２９号公報
【特許文献２】特開平０８−０５９２５１号公報
【特許文献３】特開２００７−１３１５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示された方法は、溶融ガラスの温度、すなわち溶融ガラスの粘度を変化させることにより、溶融ガラスの（単位時間当たりの）流出量が一定となるように制御している。また、特許文献２に開示された方法は、溶融ガラスの温度、すなわち溶融ガラスの粘度を変化させることにより、流出する溶融ガラスの直径が一定となるように制御している。しかしながら、上述したように、溶融ガラスの温度は、ガラスの品質にかかわる重要なパラメータであり、一般的には、形成されるガラスの品質を確認しながら溶融ガラスの温度（粘度）を逐次調整できることが好ましい。つまり、安定して高品質なガラスを得るためには、溶融ガラスの流出量を一定とし、かつ、溶融ガラスの温度を（溶融ガラスの流出量とは関係なく）独立して制御できることが好ましい。
【０００８】
また、特許文献３に開示された方法は、溶融ガラスの液面に与える圧力を制御するために、溶融ガラスを供給する炉体（るつぼ）を気密にする必要があるが、高温となる炉を気密に保つためには、機密容器の材料の選定等、装置が大がかり、かつ、高価となることが考えられる。
【０００９】
本発明は、上記の事情に対処してなされたものであり、溶融ガラスの流出量を効果的に制御できるガラスの溶融炉及び溶融ガラスの流出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のガラスの溶融炉は、溶融ガラスを収容する炉体と、炉体内の溶融ガラスを撹拌する撹拌翼と、一端が撹拌翼に接続された回転軸と、回転軸の他端に接続され、撹拌翼を回転駆動する駆動装置と、一端が炉体に接続され、炉体内の溶融ガラスを流出させる流出ノズルと、を具備し、流出ノズルの一端が接続される位置における炉体に対する接線と、流出ノズルの中心線との角度θが９０°未満であり、駆動装置は、炉体内の溶融ガラスの液面高さに応じて撹拌翼の回転方向及び回転速度を変化させる。
【００１１】
本発明の溶融ガラスの流出方法は、溶融ガラスを収容する炉体と、炉体内の溶融ガラスを撹拌する撹拌翼と、一端が撹拌翼に接続された回転軸と、回転軸の他端に接続され、撹拌翼を回転駆動する駆動装置と、一端が炉体に接続され、炉体内の溶融ガラスを流出させる流出ノズルと、を具備し、流出ノズルの一端が接続される位置における炉体に対する接線と、流出ノズルの中心線との角度θが９０°未満であるガラスの溶融炉からの溶融ガラスの流出方法であって、炉体内の溶融ガラスを流出ノズルから流出させる工程と、炉体内の溶融ガラスの液面高さに応じて、駆動装置による撹拌翼の回転方向及び回転速度を変化させる工程と、を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、撹拌翼を備え、該撹拌翼の回転により溶融ガラスの流出量を制御するように構成したので、溶融ガラスの流出量を効果的に制御できるガラスの溶融炉及び溶融ガラスの流出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係るガラスの溶融炉の構成断面図である。
【図２】Ｘ−Ｙにおける断面図である。
【図３】炉体と流出ノズルとの接続部を含む断面図である。
【図４】実施例に係る実験炉の構成断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、「流量」及び「流出量」とは、単位時間当たりの流量及び流出量を表し、「回転数」とは、単位時間当たりの回転数のことを表すものとする。
【００１５】
（実施形態）
図１は、実施形態に係るガラスの溶融炉１の構成断面図である。ガラスの溶融炉１は、ガラス原料（珪砂(けいしゃ)、ソーダ灰、石灰石など）を溶融して溶融ガラスを得るための炉体１１と、炉及び炉内のガラス原料を加熱するためのヒータ１２と、得られた溶融ガラスを後工程（成型工程）へ流出させる流出ノズル１３と、流出ノズル１３から流出させる溶融ガラスの流量を制御するための撹拌翼１４と、撹拌翼１４を回転させるための駆動装置１５（例えば、モータ等）と、駆動装置１５の駆動力を撹拌翼１４へ伝達する回転軸１６とを備える。
【００１６】
回転軸１６は、一端側が駆動装置１５に接続され、他端側には撹拌翼１４が設けられている。上記駆動装置１５により回転軸１６が回転駆動されると、この回転軸１６の他端側に設けられた撹拌翼１４も回転する。駆動装置１５は、回転軸１６を時計回り及び反時計回りに駆動することができ、かつ、回転数（ｒｐｍ）を変更することができる。
【００１７】
撹拌翼１４は、炉体１１内の溶融ガラスの流出量を制御するためのものである。撹拌するためのパドルである。撹拌翼１４の表面は、耐熱性に優れる材料、例えば、白金（Ｐｔ）や白金とロジウム（Ｒｈ）との合金で被覆されている。なお、この実施形態では、パドルを備えた撹拌翼１４について説明しているが、炉体１１内の溶融ガラスの流出量を制御できればよく、パドル以外にも、例えば、螺旋翼（スクリュー翼）など種々の形状を使用できる。
【００１８】
炉体１１の内壁は、回転する撹拌翼１４との隙間を一定とするため、その形状が円柱形となっている。また、炉体１１の内壁は、撹拌翼１４と同様、耐熱性に優れる材料、例えば、白金（Ｐｔ）、白金とロジウム（Ｒｈ）との合金で被覆されている。
【００１９】
流出ノズル１３は、後段の成型工程へと溶融ガラスを流出させる。流出ノズル１３から流出した溶融ガラスは、プレス成型やロールアウト成型等により所望の形状へ成型される。
【００２０】
図２は、図１の線分Ｘ−Ｙでの断面図である。図２中の矢印αは、流出ノズル１３の中心線の向き、すなわち流出ノズル１３内の溶融ガラスの流れの向きを示している。また、図２中の線分β―γは、流出ノズル１３の中心線が炉体１１の外周面と交わった位置Ｐ１での接線である。
【００２１】
流出ノズル１３は、図２に示す矢印αの方向と線分β―γとの角度θが鋭角となるように炉体１１に接続されている。角度θは、９０°未満（鋭角）であることが好ましく、３０°以下であることがより好ましい。なお、理想的には角度θは０°とするのがよい。
【００２２】
また、流出ノズル１３は、流出ノズル１３の中心線と回転軸１６と間の角度が垂直に近い角度で接続されることが好ましく、流出ノズル１３の中心線と回転軸１６と間の角度が、回転軸１６に対して垂直方向（０°）から上下方向に３０°以下、すなわち撹拌翼１４の回転軸１６に対して垂直方向（０°）から＋３０°（上方向）〜−３０°（下方向）の範囲内となるよう炉体１１に接続されることがより好ましい。
【００２３】
このようにすることで、撹拌翼１４の回転方向や回転数の変化に伴う流出ノズル１３からの溶融ガラスの流出量の変化を制御することができる。なお、図１では、流出ノズル１３を撹拌翼１４の回転軸１６に対して垂直に接続した例を示した。また、ここでいう流出ノズル１３の中心線とは、炉体１１との接続部から最初の曲部までの直線部における流出ノズル１３の中心線のことである。
【００２４】
（撹拌翼１４による制御）
次に、流出ノズル１３から流出させる溶融ガラスの流出量の制御について説明する。
ガラスの溶融炉１から流出する溶融ガラスの流量は、ｚの定理より導き出される下記（１）式で表される。
【００２５】
ｖ２／（２ｇ）＋ｈ＋ｐ／ρｇ＝Ｈ…（１）
ｖ：溶融ガラスの流速、
ｇ：重力加速度
ｈ：高さ
ｐ：圧力
ρ：密度
Ｈ：定数
【００２６】
上記（１）式を簡単に説明すると、炉体１１内の溶融ガラスは、高さに応じた位置エネルギーを有しており、その位置エネルギーを運動エネルギーに変えながら流出ノズル１３から流出する。上記（１）式では、流体、すなわち溶融ガラスのエネルギー損失がないものと理想化しているが、実際には、溶融ガラスが流出する際には種々のエネルギー損失が生じる。
【００２７】
実際の溶融炉１では、位置エネルギーをすべて運動エネルギーに変換すると溶融ガラスの流出速度が速すぎるため、流出ノズル１３の内径や長さ、曲率半径等を調整して溶融ガラスのエネルギー損失を調整することで、溶融ガラスの流出速度を最適化している。
【００２８】
流出ノズル１３におけるエネルギー損失が大きければ、溶融ガラスの流出速度は低下し、流出ノズル１３におけるエネルギー損失が小さければ、溶融ガラスの流出速度は上昇する。
ここで流出ノズル１３におけるエネルギー損失は、主に３つの項目からなり、それは、入口損失、管内摩擦損失、曲り損失である。
【００２９】
入口損失は、流出ノズル１３の入口におけるエネルギー損失である。管内摩擦損失は、流出ノズル１３の内壁との摩擦により生じるエネルギー損失である。また、曲り損失とは、流出ノズル１３の曲った箇所で生じるエネルギー損失である。この３つのエネルギー損失のうち管内摩擦損失及び曲り損失は、流出ノズル１３の形状や材質等で決定されるため、可変とすることは困難であるが、入口損失に関しては、溶融ガラスの状態により可変とすることが可能である。
【００３０】
このことについて図２を参照してより詳しく説明する。図２において、撹拌翼１４が反時計方向に回転している場合、図２に示す矢印αの方向と線分β―γとの角度θが鋭角であることから、溶融ガラスは、流れの方向が急激に変化することなく流出ノズル１３から流出する。この場合、撹拌翼１４の回転が、溶融ガラスが流出ノズル１３から流出する方向に働く。つまり、反時計回りの場合、溶融ガラスの持つエネルギーが増える方向に働くので、流出ノズル１３からの溶融ガラスの流出量が増加する。
【００３１】
一方、図２において、撹拌翼１４が時計方向に回転している場合、溶融ガラスは、流れが鋭角に変化したのち、すなわち流れの方向が急激に変化したのち、流出ノズル１３から流出することになる。この流れの方向が急激に変化する際、流体、すなわち溶融ガラスの持つエネルギーに損失が生じる。つまり、時計回りの場合、溶融ガラスの持つエネルギーが減少する方向に働くので、流出ノズル１３からの溶融ガラスの流出量が減少する。
【００３２】
つまり、撹拌翼１４の撹拌方向によって、溶融ガラスのエネルギー損失を変化させることができ、撹拌翼１４により流出ノズル１３からの溶融ガラスの流出量を制御できることを意味する。また、この撹拌翼１４の回転による溶融ガラスへのエネルギーの付与及び損失は、撹拌翼１４の回転数に依存するため、撹拌翼１４の回転数を変化させることで、流出ノズル１３からの溶融ガラスの流出量を連続的に変化させることができる。
【００３３】
また、溶融ガラスの粘度は比較的高いため、炉体１１内の溶融ガラスは弾性体であるとみなすことができる。そして弾性体には、外部からの変形に対してもとに戻ろうとする力が働く。つまり、溶融ガラスを圧縮すると跳ね返す力（伸びる力）が働き、引っ張ると縮もうとする力が働く。
【００３４】
図２においては、撹拌翼１４の回転数を反時計回りに増加させると、流出ノズル１３の接続部近傍では、溶融ガラスに撹拌翼１４による圧縮力が働くため、溶融ガラスには跳ね返す力（伸びる力）が働く。つまり、撹拌翼１４の回転（反時計方向）により、流出ノズル１３からの溶融ガラスの流出が促される方向に力が働く。
【００３５】
反対に、撹拌翼１４の回転数を時計回りに増加させると、流出ノズル１３の接続部近傍では、溶融ガラスに撹拌翼１４により、溶融ガラスには引っ張る力が働く。つまり、撹拌翼１４の回転（時計方向）により、流出ノズル１３からの溶融ガラスの流出が阻害される方向に力が働く。
【００３６】
以上のように、この実施形態に係る溶融炉１では、図２に示すように、流出ノズル１３と炉体１１との接続部における炉体１１に対する接線（線分β―γ）と、流出ノズル１３内の溶融ガラスの流れの向き（矢印α）との角度θが９０°未満（鋭角）となるように流出ノズル１３を炉体１１へ接続し、かつ、炉体１１内の溶融ガラスを回転させる撹拌翼１４を備えているので、この撹拌翼１４の回転（回転方向及び回転速度）により溶融ガラスの流出量を制御することができる。このため、溶融ガラスの温度とは独立して溶融ガラスの流出量を制御することができる。
【００３７】
（その他の実施形態）
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、炉体１１と流出ノズル１３との接続部を含む断面図である。図３に示した溶融炉１では、流出ノズル１３の接続部の形状を円弧状とし、炉体１１の外周面に合わせて接続していたが、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、流出ノズル１３の接続部が炉体１１内へ突き出た状態で接続していても構わない。
【００３８】
図３に示す接続とした場合、流出ノズル１３の接続部が炉体１１内へ突き出ているので、撹拌翼１４が、流出ノズル１３の突き出た部分へ接触しないように留意する。具体的には、撹拌翼１４のパドルの長さを短くする。
【実施例】
【００３９】
次に、実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。なお、以下の実施例では、実際の溶融炉（以下、実炉と称する）ではなく、実炉を模した実験炉を使用している。この実験炉では、溶融ガラスの代わりに流体として水あめを使用した。なお、実験炉水あめと実炉における溶融ガラスの粘性は同一となるように調整した。
【００４０】
図４は、実施例に係る実験炉２の構成断面図である。以下、図４を参照して、この実施例について説明する。図４に示した実験炉は、図１で説明した実炉（ガラスの溶融炉１）とは、ガラス原料を溶かして溶融ガラスを得るためのヒータ１２を備えていない点、炉体１１及び流出ノズル１３がアクリルからなる点、及び撹拌翼１４がＳＳ鋼（一般構造用圧延鋼）からなる点が異なる。
【００４１】
また、炉体１１と流出ノズル１３との接続部における炉体１１に対する接線と流出ノズル１３内の溶融ガラスの流れの向きとの角度θは、図２においてθ＝２０°となるように接続されている。さらに、実験炉を側面視した状態（図４参照）において、流出ノズル１３は、流出ノズル１３の中心線Ｃが、撹拌翼１４の回転軸１６に対して垂直（９０°）となる角度で炉体１１に接続されている。
その他の構成については、図１で説明した構成と同一であるため、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００４２】
炉体１１内に、流体としての水あめ（粘度０．１５〜０．１６Ｐａ・ｓ（パスカル秒）、比重１３７０ｋｇ／ｍ３）で充填した後、撹拌翼１４で水あめを撹拌した状態で流出ノズル１３から水あめを流出させた。この時、撹拌翼１４を３０ｒｐｍ（時計回り）及び−３０ｒｐｍ（反時計回り）で回転させ、充填した水あめの流出が完了するまでの間、水あめの液面高さＨ及び水あめの残量が所定の値となるまでの時間（水あめ流出開始からの時間）を計測した。なお、水あめ流出開始からの時間は、水あめの液面高さＨが２０ｍｍ減少するごとに計測した。
【００４３】
計測結果を表１に示す。
【表１】
0005741154.tif 000002
【００４４】
表１に示すように、撹拌翼１４の回転方向の向き、すなわち反時計回りか時計回りかにより、水あめの液面高さＨ及び水あめの残量が所定の値となるまでの時間（水あめ流出開始からの時間）が異なることがわかる。これは、撹拌翼１４の回転方向の向き（反時計回りか時計回りか）を変えることにより、流出ノズル１３からの水あめの流出量を制御できることを意味する。
【００４５】
以上のように、この実施例では、撹拌翼１４の回転方向の向き（反時計回りか時計回りか）を変えることにより、流出ノズル１３からの水あめの流出量を制御できることがわかった。そして、この実施例では水あめを用いたが、実炉においても実施例と同様に撹拌翼１４により溶融ガラスの流出量を制御できることが容易に推考される。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のガラスの溶融炉及び溶融ガラスの流出方法は、ガラスの製造、特に、高い品質が求められる液晶ディスプレイや半導体分野等で使用される光学ガラスの製造に好適である。
【符号の説明】
【００４７】
１…溶融炉、２…実験炉、１１…炉体、１２…ヒータ、１３…流出ノズル、１４…撹拌翼、１５…駆動装置、１６…回転軸。
【図１】
0005741154.tif 000003
【図２】
0005741154.tif 000004
【図３】
0005741154.tif 000005
【図４】
0005741154.tif 000006